28. Аппараты ударно-инерционного и центробежного, принцип их работы. Скрубберы Вентури, конструкция и принцип действия.

Процесс мокрого пылеулавливания основан на контакте запыленного газового потока с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы и уносит их из аппарата в виде шлама. Метод мокрой очистки газов от пыли считается достаточно простым и в то же время весьма эффективным способом обеспыливания.

Скрубберы - мокрые пылеуловители с корпусом в виде вертикальной колонны, полые или с насадкой. Через скруббер проходит запыленный поток, и в аппарат вводится жидкость.

В мокрых скрубберах реализуется тесный, бурный контакт газа и жидкости, сопровождающийся генерацией жидких капель. Захват капель газом может привести к уносу жидкости из скруббера в перегреватель, канал, вентилятор, дымовую трубу, а затем в атмосферу. Если не принять мер к отделению захваченной потоком жидкости то это может вызвать коррозию, эрозию, забивание повреждение вентиляторов и выбросы загрязнителя.

Загрязнитель, накапливающийся в жидкости, используемой для орошения скрубберов, следует удалять из системы. В мокрых скрубберах, предназначенных для пылеулавливания, в качестве орошающей жидкости чаще всего применяют воду. Ее расход для разных типов аппаратов может изменяться от 0,1 до 10 м3 на 1000 м3 обрабатываемых газов. При совместном решении вопросов пылеулавливания и химической очистки газов выбор орошающей жидкости (абсорбента) определяется условиями процесса абсорбции.

Мокрые пылеуловители имеют ряд преимуществ перед аппаратами других типов:

- отличаются сравнительно небольшой стоимостью и более высокой эффективностью улавливания взвешенных частиц по сравнению с сухими механическими пылеуловителями;

- могут быть применены для очистки газов от частиц размером до 0,1 мкм (например, скрубберы Вентури);

- могут не только успешно конкурировать с такими высокоэффективными пылеуловителями, как рукавные фильтры и электрофильтры, но и использоваться в тех случаях, когда эти аппараты

обычно не применяются, например, при высокой температуре и повышенной влажности газов, при опасности возгорания и взрывов очищенных газов, в качестве теплообменников смешения.

Перечисленные преимущества аппаратов мокрого пылеулавливания позволяют широко их применять в системах пылеочистки сушильных установок, особенно во вторых ступенях очистки.

Однако метод мокрого обеспыливания имеет и ряд недостатков:

- улавливаемый продукт выделяется в виде шлама, что связано с необходимостью обработки сточных вод и, следовательно, с удорожанием процесса очистки;

- при охлаждении очищаемых газов до температуры, близкой к точке росы, а также при механическом уносе из газоочистного аппарата газовым потоком капель жидкости пыль может осаждаться в газопроводах, системах вентиляции, дымососах. Кроме того, приводит к безвозвратным потерям орошающей жидкости;

- в случае очистки агрессивных газов аппаратуру и коммуникации не обходимо защищать антикоррозионными материалами.

Сравнение мокрой очистки с сухой показывает, что мокрая очистка имеет меньшую стоимость (без шламового хозяйства) и, как правило, является более эффективной, чем сухая. Большинство мокрых пылеуловителей может применяться для улавливания самых мелких частиц, даже менее 1 мкм.

Мокрые пылеуловители по эффективности и другим показателям не уступают рукавным фильтрам и электрофильтрам, а по ряду показателей их превосходят (возможность очистки газов с высокой температурой и повышенной влажностью, безопасность при улавливании пожаро- и взрывоопасных пылей).

В скрубберах любого типа частицы удаляют по одному или нескольким основным механизмам улавливания: гравитационной седиментации, центробежному осаждению, инерции и касанию, броуновской диффузии, термофорезу, диффузиофорезу, электростатическому осаждению. Скорость осаждения может быть увеличена благодаря укрупнению частиц вследствие агломерации и конденсационного роста.

Распознавание механизмов процессов позволяет создать рациональный метод анализа и предсказать рабочие характеристики скруббера.

В зависимости от способа организации поверхности контакта фаз и принципа действия мокрые пылеуловители можно подразделить на следующие группы:

- полые газопромыватели (полые скрубберы и др.);

- насадочные скрубберы;

- барботажные и пенные аппараты;

- аппараты ударно-инерционного действия (ротоклоны);

- аппараты центробежного действия;

- скоростные аппараты (СПУ Вентури).

1. Скрубберы Вентури

Среди мокрых пылеуловителей наибольшей эффективностью очистки газов (воздуха) от мелкодисперсной пыли обладают установки с трубой Вентури (СПУ Вентури).

Более высокая эффективность пылеулавливания по сравнению с полыми газопромывателями достигается в скрубберах Вентури созданием развитой поверхности контакта фаз, что требует и значительно более высоких энергозатрат. Образование тонкодисперсного аэрозоля происходит при этом как за счет механической диспергации промывочной жидкости, так и вследствие интенсивного испарения капель при резком падении давления в горловине. Очевидно, это приводит также к повышению влажности газа и интенсификации капиллярной конденсации влаги на поверхности частиц пыли. Последняя причина может служить объяснением того, что степень очистки пыли в скрубберах Вентури слабо зависит от ее смачиваемости.

Под СПУ Вентури понимают аппарат, состоящий из трубыраспылителя для измельчения жидкости под действием воздушного (газового) потока, движущегося с большой скоростью, и каплеуловителя. Основная часть скруббера - сопло Вентури, в конфузорную часть которого подводится запыленный поток газа и через центробежные форсунки жидкость на орошение. В конфузорной части сопла происходит разгон газа от входной скорости (w = 15…20 м/с) до скорости в узком сечении сопла 40…200 м/с и более. Процесс осаждения частиц пыли на капли жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью капель и высокой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в конфузорной части сопла. Эффективность очистки в значительной степени зависит от равномерности распределения жидкости по сечению конфузорной части сопла. В диффузоре трубы происходит рост давления и снижение скорости потока до 15…20 м/с, что способствует коагуляции мелких частиц. Из диффузора газовый поток выносит капли жидкости с осевшими на них частицами пыли в каплеуловитель, где происходит сепарация взвешенных частиц. Для улавливания пыли после трубы Вентури возможно использование скрубберов, циклонов с водяной пленкой, циклона-промывателя СИОТ и др. В этих аппаратах осуществляется улавливание предварительно скоагулированных пылевых частиц. Каплеуловитель обычно выполняют в виде прямоточного циклона. Характерным элементом для данного устройства является труба Вентури, где происходит контакт воздушного (газового) потока, содержащего во взвешенном состоянии пылевые частицы, с тонкораспыленной водой. По величине гидродинамического сопротивления труб Вентури различают низконапорные и высоконапорные скрубберы. Низконапорные скрубберы с сопротивлением распылителя до 5 кПа применяются для улавливания пыли с размерами частиц более 20 мкм.

Эффективное улавливание мелких частиц требует более высоких энергозатрат. Скрубберы с высоконапорными трубами Вентури могут осаждать частицы размером 0,5 мкм и выше. Скорость потока в высоконапорных трубах приближается к скорости звука, а их сопротивление достигает нескольких десятков кПа.

Скруббер Вентури: а — общий вид; б — нормализованная труба Вентури. 1 — конфузор; 2 — горловина, 3 — диффузор; 4 —подача воды; 5 — каплеуловитель

Для труб Вентури оптимальными считаются следующие геометрические характеристики: угол сужения конфузора б1=15…28о, длина горловины l2 = 0,15 d2, угол раскрытия диффузора б2 = 6…8o.

Скрубберы Вентури могут различаться устройством каплеуловителей, конструкциями и способами установки труб, способами подвода жидкости. Каплеуловители могут быть выносными или размещаться в одном корпусе с трубой.

Трубы могут иметь круглое, кольцевое или прямоугольное (щелевое) сечение горловины. Трубы с круглым сечением применяют для небольших расходов, а трубы со щелевым или регулируемым кольцевым сечением - для больших. При необходимости трубы компонуются в группы и батареи. Вода в горловину трубы может подаваться через форсунки различных конструкций, установленные центрально или периферийно, или стекать в виде пленки по стенкам конфузора. Худшие показатели по дроблению капель и, следовательно, по степени очистки имеют бесфорсуночные трубы Вентури. В то же время они допускают использование оборотной неочищенной жидкости, что может быть важным при совместном улавливании газообразных и дисперсных примесей (например, при нейтрализации кислых газов известковым молоком).

Конструкции труб-распылителей: а - центральный (форсуночный) подвод жидкости; б - периферийное орошение; в - пленочное орошение; г - бесфорсуночное орошение

Расход воды, распыляемой в СПУ, колеблется в широких пределах и составляет от 1 до 80 л на 100 м3 очищаемого воздуха. Расход зависит от вида улавливаемой пыли, ее концентрации в очищаемом воздухе, а также от конструкции СПУ. Для распыления воды перед форсунками необходим напор 200…300 кПа.

Эффективность улавливания частиц 5 мкм составляет 99,6%. СПУ Вентури применяют для улавливания пылей и возгонов черной и цветной металлургии, пылей пищевых производств, не изменяющих своих свойств при контакте с водой, например, сахарной и др. при начальной концентрации пыли в весьма широком диапазоне - 0,05…100 г/м3.

Главным преимуществом СПУ Вентури является простота устройства и малые габаритные размеры установки.

2. Режимная интенсификация

Суть этого способа интенсификации заключается в том, что работа газоочистительного аппарата доводится до возможно более напряженных режимов, исходя из свойств очищаемого газа и улавливаемого продукта.

В трубе Вентури режимная интенсификация может быть достигнута увеличением либо скорости газа в горловине, либо удельного расхода орошающей жидкости.

К аппаратам ударно-инерционного действия относится большая группа мокрых пылеуловителей, в которых контакт газов с жидкостью осуществляется за счет удара газового потока о поверхность жидкости с последующим пропусканием газожидкостной взвеси через отверстия различной конфигурации. В результате такого взаимодействия образуются капли диаметром 300-400 мкм. Особенностью аппаратов ударного действия является полное отсутствие средств перемещения жидкости и поэтому вся энергия, необходимая для создания поверхности контакта, подводится через газовый поток. В связи с этим газопромыватели иногда называют аппаратами с внутренней циркуляцией жидкости. Несмотря на большое число различных конструкций аппаратов этого типа, нашедших применение в промышленности, особенно за рубежом, сколько-нибудь надежного теоретического метода их расчета пока не имеется. Калверт проводит аналогию между осаждением частиц пыли в этих аппаратах и в трубах Вентури, т.е. предлагает рассматривать в качестве основного механизма инерционное осаждение частиц на каплях за счет разности скоростей однонаправленных потоков запыленных газов и жидкости. Очевидно такая модель процесса осаждения частиц в данном случае является весьма упрощенной. Наиболее типичным представителем газопромывателей ударно-инерционного типа является ротоклон типа N. Важное значение для нормальной эксплуатации газопромывателей этого класса играет поддержание постоянного уровня жидкости в аппарате. Даже незначительное изменение уровня жидкости может привести к резкому снижению эффективности или значительному увеличению гидравлического сопротивления. Отсутствие мелких отверстий для раздачи жидкости и механических вращающихся частей позволяет работать при значительной запыленности газов. Удаление шлама из отстойника осуществляется периодически или непрерывно (иногда с помощью скребкового транспортера). Подпитка воды производится только для компенсации ее потерь за счет испарения и отвода со шламом. По- этому ротоклоны целесообразно устанавливать для очистки холодных или предварительно охлажденных газов.

Центробежный аппарат работает следующим образом.

Подлежащая разделению среда через входной патрубок 19 поступает в загрузочную камеру 18 и далее в лопастное колесо 9, где за счет действия центробежной силы суспензия отбрасывается к стенке корпуса аппарата и происходит ее разделение в зазоре между корпусом 1 и ротором 18. Сгущенная суспензия движется вдоль стенки корпуса к патрубку 2, а очищенная жидкость огибает ротор и через каналы 15 в ступице центробежного колеса и отверстия 13 во втулке 7 поступает в полость 16 и, поднимаясь вверх по внутренней поверхности втулки 7 и винтовой поверхности вставки 20, через отверстия 14 во втулке переливается в приемник 23 фугата и через патрубок 24 выводится из аппарата. Количество и размеры каналов 15 определяются исходя из доли отводимого фугата и обеспечения требуемой скорости движения жидкости в камере отвода фугата. Для уменьшения содержания высокодисперсной твердой фазы в фугате на нижнем диске лопастного колеса укреплен ротор 18, обеспечивающий высокие центробежные ускорения в потоке суспензии, движущейся в зазоре между корпусом и ротором, и выполняющий роль дополнительной поверхности осаждения. Длина ротора выбирается исходя из скорости и времени осаждения твердой фазы в зазоре между ним и корпусом аппарата. Сгущенная суспензия отводится из корпуса 1 через патрубок 2 на дальнейшую переработку.

Использование предлагаемого технического решения позволяет обеспечить непрерывность процесса разделения жидких сред с большим интервалом дисперсного состава твердой фазы и расхода суспензии; повысить надежность работы аппарата и качество разделения суспензии за счет подачи исходной суспензии в зону максимальных центробежных ускорений и уменьшения содержания твердой фазы в фугате в 1,5 раза; уменьшить дисперсность твердой фазы в очищенной жидкой среде.